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内燃机主轴承座的强度分析
作者:广州依纳  发表时间:2013-03-04  点击:95
作者利用ABAQUS软件对内燃机主轴承座进行强度分析,用大量的图例说明其计算结果,并得出了相应的结论。其中涉及的零件有缸体、框架、主轴承座螺栓、框架螺栓、轴瓦和曲轴轴颈,涉及的工况包括螺栓装配载荷工况、轴瓦装配载荷工况和动轴瓦载荷工况,有一定的实际意义。 一、序言 为了BAO证发动机主轴承座设计的可靠性,需要对主轴承座进行强度分析。主轴承座的计算模型由两缸中间截面之间的部分组成,具体的零件有缸体、框架、主轴承座螺栓、框架螺栓、轴瓦和曲轴轴颈,如图1所示。http://www.icad.com/pic/200562105346.jpg图1 整体坐标系二、有限元模型的建立 1.整体坐标系的定义 整体坐标系,即采用右手法则的直角坐标系,如上文中图1所示。坐标系的中 心在曲轴的中 心,X轴的方向与曲轴同向,Y轴在发动机的侧向,Z轴与气缸同向。 2.主轴承座有限元模型 主轴承座有限元模型的建立采用前处理软件HyperMesh和Patran完成,再用ABAQUS软件进行求解。所用单元均为二阶的10节点四面体单元,如表1所示。http://www.icad.com/pic/200562105528.jpg表 1 各零件单元数和节点数表1为汽车发动机主轴承座所需的零件、单元数(二阶四面体)和节点数。 3.材料数据 各零件的材料数据,如表2所示。http://www.icad.com/pic/200562105622.jpg表2 各零件的材料数据三、边界条件和载荷 本文对发动机的3个载荷工况进行了计算和分析,即螺栓装配载荷工况、轴瓦装配载荷工况和动轴瓦载荷工况。 1.通用边界条件的处理 如图2所示,在两对称面A、B上施加对称边界条件,即所有节点X=0。http://www.icad.com/pic/200562105724.jpg图2 对称边界条件 2.螺栓装配载荷工况 零件:框架、缸体、主轴承座螺栓和框架螺栓。 具体的边界条件,如图3所示。http://www.icad.com/pic/20056210582.jpg图3 螺栓装配载荷工况边界条件的处理 3.轴瓦装配载荷工况 零件:框架、缸体、主轴承座螺栓、框架螺栓和轴瓦。 具体的边界条件,如图4所示。 http://www.icad.com/pic/200562105828.jpg图4 轴瓦装配载荷工况边界条件的处理 4.动轴瓦载荷工况 零件:框架、缸体、主轴承座螺栓、框架螺栓、轴瓦和曲轴。 具体边界条件,如图5所示。http://www.icad.com/pic/200562105850.jpg图5 动轴瓦载荷工况边界条件处理四、结果分析 在前处理软件中将边界条件及材料特性等定义好之后,产生INPUT文件,再用ABAQUS软件求解,将求解结果再调入前处理软件中进行结果后处理,其中的接触求解为非线性稳态求解。 1.变形结果 主轴承座的整体变形,变形值都比较小,都是可接受的,如图6~图13所示。http://www.icad.com/pic/200562105911.jpg图6 螺栓预紧力Z大时的整体变形量http://www.icad.com/pic/200562105941.jpg图7 螺栓预紧力Z大时变形Z大的位置 螺栓预紧力分别为45.5kN及43kN的工况下,变形Z大值都出现在螺栓头和框架接触处,Z大值分别为0.0453mm及0.0429mm,变形值较小,是可接受的。http://www.icad.com/pic/20056211010.jpg图8 整体变形量(轴瓦过盈量为66μm)http://www.icad.com/pic/20056211029.jpg图9 变形Z大的位置(轴瓦过盈量为66μm) 轴瓦过盈量为66μm时,变形Z大值出现在下轴瓦和框架接触处,Z大值为0.00877mm,变形值F常小。http://www.icad.com/pic/20056211058.jpg图10 爆压为70bar时的整体变形量http://www.icad.com/pic/20056211117.jpg图11 变形Z大的位置 变形Z大值出现在框架中部,Z大值为0.0282mm,变形值较小。http://www.icad.com/pic/20056211135.jpg图12 动轴瓦载荷工况下轴瓦孔在Y向变形http://www.icad.com/pic/2005621125.jpg图13 动轴瓦载荷工况下轴瓦孔在Z向变形 轴瓦孔的变形会影响到Z小油膜厚度,因此对它的变形估算很重要。对螺栓装配载荷工况引起的变形可以不予考虑,因为在装配螺栓后要对轴瓦孔进行机加工,变形被排除。对轴瓦进行装配引起的变形在各方向基本均匀,因此不作重点考虑。对动轴瓦载荷工况引起的变形,轴瓦孔在Y向的变形是3.47μm,在Z向是25.5μm,轴承间隙是40μm,变形远小于间隙,可以BAO证Z小油膜厚度,如下文中图17、图18所示。 2.应力结果 如图14~图16所示,为螺栓预紧力等于45.5KN时框架和缸体的应力(Von Mises stress)分布。http://www.icad.com/pic/20056211236.jpg图14 框架和缸体的整体应力分布http://www.icad.com/pic/20056211319.jpg图15 框架局部应力分布http://www.icad.com/pic/20056211357.jpg图16 框架局部应力分布 如图17~图19所示,为螺栓预紧力等于43KN时框架和缸体的应力(Von Mises stress)分布。http://www.icad.com/pic/2005621173.jpg图17 框架和缸体的整体应力分布http://www.icad.com/pic/20056211754.jpg图18 框架局部应力分布http://www.icad.com/pic/20056211923.jpg图19 框架局部应力分布 如上文中图14~图19所示,在框架与缸体之间以及螺栓与框架缸体接触面上压应力很大,这是由于计算是按照材料的弹性假设进行的,没有考虑材料的塑性变形,因此应力值很大,但不会引起失效。 如图15、图18和图16、图19所示,A处和B处应力值大于250MPa,超过了材料的强度参考,因此建议jia大这两处的R值,以调低应力集中。在框架和缸体的其余部位,应力值都小于材料的强度参考250MPa,因此在此工况下强度满足要求。 如图20~图22所示,为轴瓦过盈量等于66μm框架和缸体的应力(Von Mises stress)分布。http://www.icad.com/pic/20056211105.jpg图20 框架和缸体的整体应力分布http://www.icad.com/pic/20056211118.jpg图21 框架和缸体局部应力分布http://www.icad.com/pic/200562111315.jpg图22 框架和缸体局部应力分布 如图21所示,过盈量为66μm时应力Z大值出现在缸体部分的油道孔处,应力值为165MPa,小于材料强度参考250MPa,满足要求。但是,还是建议此处的尖边增加倒圆,以调低应力集中。如图23~图25所示,为爆压等于70bar时框架和缸体的应力(Von Mises stress)分布。http://www.icad.com/pic/200562111751.jpg图23 框架和缸体的整体应力分布http://www.icad.com/pic/200562111843.jpg图24 框架和缸体局部应力分布http://www.icad.com/pic/200562112042.jpg图25 框架和缸体局部应力分布 如图23~图25所示,应力Z大值出现在缸体与框架接触的区域,其值为102MPa,小于材料强度参考250 MPa。 3.轴瓦的背压 轴瓦装配载荷工况下轴瓦的背压分布,如图26所示。http://www.icad.com/pic/20056211237.jpg图26 过盈量为66μm时轴瓦的背压 如图26所示,轴瓦大部分区域的背压为12MPa~21MPa,这个压力已经足够阻止轴瓦与框架及缸体之间的相对移动。五、结论 通过分析可得出以下结论。 1.如图15、图18和图16、图19所示,A处和B处应力值大于250MPa,超过了材料的强度参考,因此建议jia大这两处的R值,以调低应力集中。 2.根据上述分析,框架和缸体的应力值在各工况下都小于材料的强度参考,满足静强度要求。 3.轴瓦孔的变形满足要求。
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